直流换流阀单元模块蒸发冷却系统的仿真分析与试验

直流换流阀单元模块蒸发冷却系统的仿真分析与试验
黄伟;冯维;王海峰;陈彪;杨婧捷
【摘要】对直流换流阀的发热问题和目前主流的水冷技术存在的缺陷进行研究,提出采用蒸发冷却技术用于直流换流阀单元模块的冷却.针对由5英寸晶闸管集成的直流换流阀单元模块,设计包含贴壁式蒸发器、集气管、回液管和冷凝器等组成的蒸发冷却系统.建立单元模块蒸发冷却的仿真分析模型,得到不同功率工况下晶闸管表面的温度分布情况.试验数据与仿真结果误差在8％以内,验证了计算和试验的准确性.研究表明,蒸发冷却技术的应用使得晶闸管的温度分布更加均匀,冷却余量增大,可保障直流换流阀单元模块的载流能力,这将为直流换流站采用蒸发冷却系统提供分析和设计依据.%This paper summarized the heat problem and water cooling technology of HVDC converter valve,and presented applying evaporative cooling technology to HVDC field.A model was designed for the 5-inch thyristors,composed of a wall-type evaporator,gas collecting pipe,liquid tube and condenser,etc.Based on this model,the temperature fields of the thyristors in different power conditions are calculated by FEM.The percentage error between simulation data and experimental result is under 8％.And the results have verified the accuracy of the calculation and test.Studies have shown that the application of evaporative cooling technology makes the temperature distribution of thyristors more uniform,and the increasing of cooling margin can guarantee the current-carrying capacity of HVDC converter valve unit.These results will offer theoretical and design support for using of evaporative cooling technology in HVDC station.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)002
【总页数】7页(P264-270)
【关键词】蒸发冷却;高压直流换流阀;晶闸管;仿真;试验
【作者】黄伟;冯维;王海峰;陈彪;杨婧捷
【作者单位】中国电力科学研究院北京 100192;中国科学院电工研究所北京100190;中国科学院电工研究所北京 100190;中国科学院电工研究所北京100190;中国电力科学研究院北京 100192
【正文语种】中文
【中图分类】TM422
高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）输电是将电厂发出的交流电在输送端通过整流为直流电进行输送，在配电端通过逆变将直流电转变为交流电的输电方式。

近年来用电量的大幅提升以及跨区域联网的完善，直流输电在大功率、长距离所具有的高稳定、低损耗等优势使得其发展迅速。

以大功率晶闸管作为核心器件的换流阀是保证整个高压直流输电系统持续安全稳定运行的关键设备。

换流站使用的晶闸管发热功率大，同时器件的性能对温度十分敏感。

研究表明，当晶闸管表面温度高于90℃时，PN结中载流子导通严重受阻致使功率呈现指数衰减。

因此必须对晶闸管提供高效、稳定的冷却才能保障其正常工作。

晶闸管的快速发展不断要求提升冷却方式和能力：自然风冷只适用于小容量系统，大功率系统很少单独采用[1]；强迫风冷需要在阀站内设置较大功率的风机，会引入电干扰并破坏阀体附近的空气参数，同时存在噪声污染[2,3]；冷却效率较
高的水冷方式是目前主流的技术方案。

但水冷系统需要配置水处理系统，密封接头多，存在去离子化溶解导电以及局部沸腾产生气泡等问题，系统可靠性较低[4-6]。

蒸发冷却技术是中国科学院电工研究所自主研发的新型冷却技术，其理论研究和工业应用水平在国内外处于领先地位，建立了较为完整的技术体系。

近三十余年来，电工所与多家单位合作相继将其应用到了发电机、电力驱动和低压电器等诸多领域。

400MW蒸发冷却水轮发电机在2000年国际大电网会议（CIGRE 2000）上，被
评为旋转电机领域的四项新进展之一。

在三峡工程中，地下电站两台840MV·A蒸发冷却水轮发电机已经于2011年12月和2012年7月正式投入运行，安全运行
至今[7,8]。

此外，蒸发冷却技术近年来在其他高负荷、高产热电子器件领域的应
用也更加广泛，如高电荷态ECR离子源磁体的设备冷却、IGBT等电力电子器件以及超级计算机的冷却等[9,10]。

本文通过仿真分析和试验验证两个方面将蒸发冷却技术引入到直流换流阀的冷却领域，为实际系统的设计提供依据和支持。

依据晶闸管的发热特性和沸腾换热理论，采用有限元方法对±800kV换流站的直流换流阀模块单元进行了三维温度场数值仿真计算，得出了晶闸管表面的温度分布，试验结果也验证了仿真分析的合理性和有效性。

研究结果表明，采用蒸发冷却技术后，换流阀单元模块的晶闸管温度分布均匀，无过热区域，具有能够根据功率变化而自行调节冷却能力的自适应特征。

1.1 晶闸管损耗分析
在特高压直流输电中，换流站起到交直流变换的作用。

晶闸管可在高电压、大电流下工作，是目前使用最广泛的大功率换流器件。

在±800kV换流站中已经开始使用4 000A/8 000V高压晶闸管，大幅降低了晶闸管的串联数量，提高了系统工作的
稳定性[11,12]。

随着功率提高、晶闸管的导通电流增大而导致损耗发热更加严重。

在各种瞬态和稳态工作条件下，功率晶闸管在工作时，电功率损耗会产生大量的热量集中在半导体
芯片内部，严重影响半导体的结温。

半导体结温是由器件的总功耗与晶闸管冷却系统的冷却能力所决定的，过高的温升会改变器件的特性，当结温超过晶闸管所规定的最高温度时，晶闸管损耗产生的漏电流可使器件产生不受控制的非门极型开通，导致器件的损坏，甚至因为温度过高使电极接触或半导体层的熔化而永久失效。

所以必须通过布置冷却系统来降低结温，以确保芯片温度不超过晶闸管所规定的最高温度。

由于半导体器件的封装形式，通过对表面的冷却来达到对结温的控制，结温的具体值可由表面温度推算得到。

采用IEEE和IEC中相关的损耗计算公式进行估算，其中晶闸管导通损耗为导通电流与对应的理想电压的乘积，计算数值可由以下方程决定[13]。

式中，PT1为导通损耗；为阀i的晶闸管数目；u0为晶闸管的门槛电压；R0为晶闸管导通电阻的平均值；Id为通过换流桥的直流电流有效值；m 为换相角；PT2为阻尼损耗；Uv0为变压器阀侧空载线电压有效值；CHF为阀阻尼电容有效值加上阀两端间的全部有效杂散电容；f为工作频率；为导通角；m为电磁耦合系数。

另外通过获取指定换流站的设计参数，可以利用计算公式获得整体的损耗情况以及需要设计的冷却功率，也是一种比较简便的计算方法。

1.2 纯水冷却系统
目前换流阀站最常用的冷却方式是水冷系统，其内冷循环采用纯水循环冷却，外冷系统根据当地气象条件采用冷却塔或冷却风机冷却。

纯水内冷系统通过将温度较低的去离子水利用循环泵强迫循环，低温冷却水在紧贴晶闸管表面的散热器内部流动吸热升温而带走热量，实现第一次热交换。

升温后的水在管道中流向换流站外部的外冷却系统。

在外冷系统的管道中，通过冷却塔或风机等冷却方式，将高温水携带的热量，交换到阀站外的环境中，从而实现第二次热交换，释放热量后的低温水继续进入内冷循环实现完整的冷却过程。

纯水冷却原理简单，工程实现相对容易，目前大多数换流站均采用此种冷却形式。

通过优化冷却回路并为系统配备水处理设备以及温度、压力、水质检测等监测仪器，提高水冷系统的运行稳定性。

但是水冷系统存在三个主要问题：随着换流阀容量的进一步提升，水处理系统将过于复杂庞大；为了满足大功率发热器件的冷却要求，纯水循环流速大幅度提高，即通过提高强迫循环泵输入功率增大流速，造成运行压力升高，特别是管道转弯处以及接口位置爆裂、泄露可能性升高，从而降低了运行稳定性；换流站多安置在少人地区，气象环境相对较恶劣，对水源缺乏以及酷热、严寒适应能力较差[14,15]。

1.3 蒸发冷却技术原理分析
蒸发冷却技术基于相变换热原理，利用满足环保要求、高绝缘性能和沸点适中的冷却介质沸腾吸收大量热量的特点实现对发热部件的冷却。

目前蒸发冷却技术已经在多种大功率电力设备以及电力电子器件上得以应用。

蒸发冷却技术根据冷却对象的不同而采取相应的冷却结构。

小型电气设备如电压等级较低的配电变压器可以采用全浸式蒸发冷却技术，将整个发热部件浸泡在蒸发冷却介质中，发热面和冷却介质直接接触换热，这种冷却方式冷却效率较高，但是受设备尺寸限制较大。

对发热量较大且较为集中的大型电力设备适宜使用贴壁式间接蒸发冷却技术。

针对换流站，可以保留现有的散热器（作为蒸发器）和循环管路，将纯水替换为蒸发冷却介质。

蒸发冷却内冷和外冷热交换过程如图1所示。

晶闸管导通时半导体硅发热，沿轴向金属钼和压层铜快速升温。

蒸发器紧贴在晶闸管表面，晶闸管产生的损耗经过蒸发器传导至蒸发器内部的蒸发冷却介质，蒸发冷却介质吸热温度升高，当温度达到饱和沸点后沸腾汽化，由热功转换产生的驱动力将介质蒸汽和少量液体组成的两相混合物输送到外冷系统。

在外冷系统中，蒸汽经过热交换放热后重新冷凝为低温液体流回蒸发器中，形成无泵自循环的蒸发冷却系统。

相比纯水冷却，特别是换流站用大规模冷却系统，蒸发冷却技术具有如下优势：基
于相变换热原理，系统循环流量小，冷却效果好；冷却介质自身具有优良的绝缘性能，防火灭弧，安全度高；系统可实现自循环运行，不需要辅助泵，可靠性高，同时节省了大量的辅助和监控设备。

从成本角度考虑，在大容量系统的设计前提下，蒸发冷却系统与纯水冷却的初期投资基本相当，但是蒸发冷却的运行成本更低，全生命周期内的成本比水冷更有优势。

具体比较来看，蒸发冷却系统节省了水处理装置、水质监控设备和强迫循环泵，增加的主要成本在于冷却介质的投入。

随着设备容量的增大，辅助设备的投入以及运行成本增长幅度大于介质的初期投入费用，蒸发冷却技术的优良性能和综合成本较低的特点会更加明显。

2.1 仿真模型
在换流站的安装设计中，目前较为常用的是将数个晶闸管串联分压方式构成一个阀层，再逐层累加直到满足输电要求。

考虑到每层之间结构类似，在仿真分析中设计其中一组就可以获得较为准确的仿真结果。

仿真的物理模型包括6个模拟晶闸管的发热体和7个蒸发器，发热体与蒸发器间
隔布置，如图2所示，7个蒸发器的冷却介质通道采用并联方式连接。

发热体的尺寸参照5in（1in=0.025 4m）晶闸管的实际结构。

图2中，中间部分为蒸发器和晶闸管的串联安装结构。

蒸发器顶部为集气管，底
部为集液管。

集气管一端的多个进气口与蒸发器顶部出气口连接，另一端与风冷凝器连接，风冷凝器回液口通过回液管与集液管连接，集液管与蒸发器底部的进液口连接。

发热体的尺寸参照晶闸管的实际结构设计，其直径为125mm（5in），厚
度为30mm。

蒸发器为长方体结构，尺寸为140mm´130mm´30mm。

同时在保
证仿真准确性的前提下做出假设：①晶闸管的损耗均匀分布；②晶闸管与蒸发器充分接触，忽略其接触热阻；③忽略辐射及其他散热途径，认为所有热量由蒸发器带走。

阀站内晶闸管发热量因制造工艺和导通顺序的不同而略有差异，但和总发热量相比所占比例极小。

同时认为单一的晶闸管在设计和制造中径向和轴向的材料是各向同性的，晶闸管外表面的热损耗均匀分布。

2.2 数学方程和边界条件
研究采用具有内热源的三维温度场分析方法，求解域的热传导方程为[16]
式中，l 为热传导率（W/(m×K)）；qV为体热流密度（W/m3）；T为温度（K）。

在三维直角坐标系下，式（3）可写为
采用第三类边界条件对式（4）的三维方程进行简化，将换热面作为换热系数一定、换热流体温度一定的平面，这样得到二维的热传导方程。

换热方程式为
式中，ln为垂直于界面G3的热传导率[W/(m×K)]；Tw为接触面表面温度；Tf为在界面G3与物体接触的冷却介质温度（K）；h为在界面G3与物体接触的冷却
介质的换热系数[W/(m2×K)]。

采用库珀（Cooper）公式计算对流换热系数，即
式中，Mr为冷却介质的相对分子质量；Pr为对比压力（介质工作压力与其临界压力之比）；C为固液混合计算系数；l为考虑表面粗糙度情况下的指数系数；W0、l0、T0分别为数值为1的标准功、距离、温度，单位分别为J、m和K；Rp为蒸发器内壁的粗糙度（mm）；q为面热流密度（W/m2）。

参照模型实验台的数据，仿真计算中设定环境温度T0=28℃，冷却介质的回液温
度Tin≈34.3℃、出气温度Tout≈58.4℃。

采用国产新型5in晶闸管，总导通损耗约为3.4kW。

为了确定蒸发器的工作情况，设计了不同晶闸管表面热流密度下的
情况，五组热负荷输入见表1。

在仿真中假定外冷系统足够大（实际工程中外冷系统也是同样有足够的余量），使得回液温度保持恒定。

2.3 仿真分析
仿真计算的三维模型由简化实际模型而来，忽略进出口汇集管路对流动的影响，利
用有限元分析软件进行了网格剖分和计算。

为了能够方便观察晶闸管表面温度，在仿真结果视图处理中，将边缘的一个蒸发器隐藏，露出晶闸管表面。

在额定工况下，晶闸管接触表面的温度分布情况如图3所示。

同时，晶闸管在不
同功率下采用蒸发冷却方式时表面沿径向的温度分布情况如图4所示。

图3显示晶闸管和蒸发器的接触表面从边缘到中心处温度逐渐升高，中心最高温
度约为68.27℃、表面最低温度点约为55.51℃，远低于晶闸管对表面温度的要求，冷却效果比较好。

图4所示为不同发热功率条件下，蒸发器沿径向的温度分布曲线，其中坐标的起
始点为（5, 0），即距离晶闸管径向边缘5mm处设置第一个测量点。

从图4中可以看出不同功率下的曲线具有相同的趋势，考虑到器件要具有一定的冷却余量，计算结果表明达到额定功率1.15倍后蒸发冷却系统仍然能够
保证表面温度不超过75℃，也满足要求。

3.1 试验条件
针对±800kV换流站用晶闸管设计使用的冷却系统，搭建了一个蒸发冷却系统实验台。

内冷系统采用自循环蒸发冷却，外冷系统采用强迫风冷凝器。

晶闸管和蒸发冷却蒸发器之间通过高精度加工达到紧密贴合，并涂抹少量导热硅脂以降低接触热阻。

多个蒸发器出气口通过集气管收集后送入强迫风冷凝器中冷却，冷凝成过冷液体后沿回液管管道经过集液管分配给各个与晶闸管接触的蒸发器中。

冷却单元结构如图5所示，由于蒸发器和晶闸管紧密接触，通过红外摄像观测难以获得接触面的温度分布。

因此在接触面上布置高灵敏热电偶；此外，在出气口和回液口也埋设热电偶测量介质处于气态和液态的温度。

为了检验系统的稳定程度和工作状态，在集气管和回液管端部安装压力传感器、回液管底部安装流量计等仪器。

3.2 试验数据处理
通过调整晶闸管功率进行散热试验，采集了温度、流量、压力等数据。

表2中列
出具有代表性的四点温度，即进、出口温度、晶闸管边缘温度和中心温度。

从试验数据来看，系统的运行压力和液体起沸点温度随晶闸管功率升高小幅度升高，进出口温度升高较为明显。

在额定功率点，中心温度为69.3℃，边缘温度为
56.6℃。

3.3 数据对比和分析
蒸发冷却系统的试验数值和仿真分析数值在趋势上一致，沿程温度稍有不同，在额定功率下试验数据与仿真结果的对比如图6所示。

从图6对比中可发现试验数据与仿真结果有两点存在差别。

第一个现象是靠近晶
闸管中心位置的接触温度，试验测定值明显较高。

造成这种区别的原因在于仿真中忽略了接触热阻，而实际试验中表面不可能完全贴合。

从数据上来看约有1.1℃左右的温差，这与水冷散热器的接触热阻造成的温差类似。

第二个现象是晶闸管径向温度升高速度不同，越接近中心位置温度提升越大，形成明显的温度台阶而非均匀上升，这主要原因是晶闸管表面载荷实际上并不均匀，硅层发热更集中在中心部位而边缘实际的载荷比例较低造成的。

总体来说，试验数据与仿真结果的符合度较高，误差在8%以内，满足工程设计的要求。

采用蒸发冷却技术的散热器为晶闸管降温，物理过程的模型化处理需特别注意以下两点。

（1）晶闸管的硅层热量向钼、铜层的径向、轴向发展特性：内部硅层的热量传导至铜层的外表面，导致散热器接触面的中心温度远高于边缘，因此蒸发冷却散热器中心沸腾换热剧烈，当液相介质流经高温区时可以充分汽化带走大量表面热。

（2）气液两相上升和回流的过程：蒸发冷却散热器的加热段长度远小于上升段长度，液相到气相的变化集中在散热器内完成，通过试验观测到散热器出口气相占比高且扰动较小，因此散热器自身的冷却效率较高，模型分析中可认为冷却接触面发挥全部的汽化潜热；在外部冷凝器容量足够的条件下（气体全部冷凝为液体且回液
温度不变），较高的回液管使得回流液体重力势能较大，即散热器低温回液充足且流速较大，在这样的入口条件下，既保证了回液过程无气相扰动，也确保了不同功率下入口条件的一致性。

从冷却能力上来讲，蒸发冷却方式完全能够满足晶闸管的使用要求。

考虑到试验使用的外冷却系统为风冷凝器，冷却效率远低于水冷凝器的外冷却系统，因此回液温度实际有小幅升高，如果能够采用高效水冷凝器替代风冷凝器，冷却效果会进一步提高。

从系统的稳定程度来看，蒸发冷却蒸发器具有两方面明显的优点：①运行压力极低，即使超过额定值运行，系统压力在0.15MPa以内，远低于水冷系统的压力；②额定功率工况下循环流量低，自循环系统可根据系统负荷大小自行调节，且具有较大的冷却余量。

本文对直流换流阀单元模块的蒸发冷却系统进行了仿真计算，并搭建了试验平台进行了试验验证。

仿真结果和试验数据的误差在8%以内，相互验证了其准确性和合理性，满足工程设计的要求。

结果表明，采用蒸发冷却技术后换流阀单元模块的晶闸管能够长期运行在温升较低的安全状态且具有较大的冷却余量；蒸发冷却系统能够随着换流阀单元模块的运行功率变化而进行自适应调节。

这些工作为进一步开展直流换流站的蒸发冷却系统的工程设计和应用提供指导和依据。

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黄伟 1980年生，工程师，硕士，主要从事电力系统能效评测的研究。

E-mail: *******************.cn（通信作者）
冯维 1989年生，硕士研究生，主要从事电力设备冷却设计的研究。

E-smail: ****************。